聲光控制延時開關(guān)一、設(shè)計目的1.掌握三極管的概念及相關(guān)物理量。2.認(rèn)識聲光控開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)和原理3.熟練掌握三極管的參數(shù)、作用及測量方法。4.了解效應(yīng)管、可控硅等元件的作用及測量方法。5.掌握放大電路的簡單分析。6.培養(yǎng)獨立分析電路的能力7.熟練運用Protel99SE繪制原理圖及PCB板制作二、設(shè)計要求整個電路由電源電路，放大電路，處理電路〔聲控電路、光控電路〕及延時電路等局部組成。電源由家用220伏交流電源供電，光敏控電路對外界光亮程度的感應(yīng)相對應(yīng)的電壓信號。從而實現(xiàn)白天燈泡不亮晚上遇到聲響時，通過聲控電路使燈泡自動點亮，聲控電路主要將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑥亩獙崿F(xiàn)自動控制，延時電路聲音消失后延長一段光照時間。以增強電路的實用性。1〕電路穩(wěn)定性和可靠性要高。這是控制電路性能的最根本要求，否那么自控能力弱，嚴(yán)重時會失去自動控制功能。2〕功耗要小。控制電路一直接于交流220伏電路上，假設(shè)功耗特別是靜態(tài)功耗大，那么不利于節(jié)能，甚至還會大大縮短控制電路的壽命。3〕靈敏度要能調(diào)節(jié)。這是控制電路正常工作時，對聲光控制信息信號的最低要求，控制信號的靈敏度應(yīng)滿足不同的環(huán)境要求。4〕帶負(fù)載能力要強。被控?zé)舻墓β什槐M相同，因此要求控制電路的一定范圍的驅(qū)動能力。5〕觸發(fā)延時時間要能按要求調(diào)節(jié)。延時時間至少在1分鐘內(nèi)可以調(diào)節(jié)。三、方案設(shè)計與論證設(shè)計的方案有以下三種：方案一：含555定時器、光敏三極管、雙向可控硅的聲光控電路簡要分析其優(yōu)點：此聲、光同時控制的新式照明燈用光敏三極管的輸出端控制555的觸發(fā)控制端，用音頻放大電路控制555的復(fù)位端。555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，控制雙向可控硅，簡單易制、本錢低、節(jié)電又方便。原理圖設(shè)計：設(shè)計中考慮到光敏電阻的阻值隨電壓升高有規(guī)律的下降，而蜂鳴器那么用駐極體話筒代替。具體原理如圖:圖2-1設(shè)計原理圖555定時器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，控制雙向可控硅，當(dāng)555定時器輸出高電平，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，燈泡亮，當(dāng)555定時器輸出低電平時，可控硅未導(dǎo)通，燈泡滅。電路由l0V穩(wěn)壓直流電源供電。為使聲光同時控制，將光敏三極管的輸出端控制555的觸發(fā)復(fù)位端，音頻放大電路控制555的觸發(fā)端。缺點：在：該電路在聲強>50dB時，對照明燈的有效控制率高于94％，過于敏感。很小的聲音也會促使燈發(fā)光，會造成能源的浪費。方案二：運用ＹＱ－Ｉ制成聲光控電簡要分析其優(yōu)點：聲光控延時開關(guān)的電路原理圖見圖２－１所示。電路中的主要元器件是使用了數(shù)字集成電路ＹＱ－Ｉ，其內(nèi)部含有4個獨立的與非門vd1～vd4，使電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高。圖２－２為設(shè)計原理圖陶瓷壓電蜂嗚片B把聲音變成直流控制電壓。通過光敏電阻的改變，使電位發(fā)生改變，從而控制晶閘管的通斷，從而到達(dá)使燈自動熄滅的目的。缺點：降壓功能不強，對晶閘管的沖擊電流大，對燈泡的壽命有影響。方案三：聲光控開關(guān)ICCD4011應(yīng)用電路簡要分析其優(yōu)點：其采用集成塊ICCD4011，制作起來本錢低、并且節(jié)電又方便。同時，對聲音的靈敏度適中，并且原件容易設(shè)計。小結(jié)：在綜合了以上三種電路的優(yōu)缺點后，我們決定采用第三種方案。四、設(shè)計原理及電路圖1．設(shè)計原理220V的市電經(jīng)過燈泡和全橋整流后一路加在單向可控硅MCR100-6上，另一路經(jīng)R8限流后給本電路供電。由于一開始可控硅無觸發(fā)信號，呈關(guān)斷狀態(tài)，燈不亮。C3為主濾波電容，四個二極管整流橋給本電路提供穩(wěn)定的工作電壓。Q1、R2、R3組成前級電壓放大電路，對話筒MIC送來的微弱信號進行放大，然后再送入四輸入與非門CD4011芯片進一步放大，經(jīng)C2的正極給其充電，很快C2上就充到了門電路的翻轉(zhuǎn)電壓，無光時，當(dāng)有聲音信號時，芯片1高電平，2高電平，那么通過R6輸出信號為高電平使可控硅導(dǎo)通，電燈點亮。在這個過程中，聲音信號只需一個瞬時即可，這是因為，當(dāng)聲音信號來時，C2上的電壓很快就充到了電源電壓，而這時即使聲音信號消失，C2只能通過R6進行放電，所以C3上將維持一段時間的高電平，這個高電平將維持單向可控硅導(dǎo)通，這就是延時的效果，燈亮后所能延時的長短取決于C2上維持高電平的時間長短，所以選擇C2的大小，可以控制延時的長短。當(dāng)C2上的電壓低時，3Y輸出高電平，4Y輸出低電平，單向可控硅的控制端沒了觸發(fā)信號截止，燈熄滅。有光時，1B輸入為低電平，不管1A為上下電平，最后4Y輸出都是低電平，即可控硅MRC100-6都截止，那么燈不亮。2、電路圖、3模塊說明①整流模塊四只整流二極管D1~D4J接成電橋的形式，固有橋式鎮(zhèn)流之稱，如下列圖。在正半波電流通過電燈由線路3-2-可控硅再返回負(fù)極，在副半波時候電流通過4-1-2-可控硅再返回電源正極，于是到達(dá)鎮(zhèn)流作用，使交流電變成直流電。②放大模塊通過一個三極管，使接受到的微弱點信號通過放大能明顯作用于電路。如下列圖：③驅(qū)動模塊和聲光控開關(guān)模塊本電路圖在通過放大時也需要驅(qū)動電路并且和聲光控開關(guān)同事運用，因此采用CD4011，即一舉兩得。CD4011功能:四2輸入與非門CMOS芯片邏輯表達(dá)式：Y=A.BA=Y.BCD4011引腳圖及引腳:管腳功能：1A數(shù)據(jù)輸入端、2A數(shù)據(jù)輸入端、3A數(shù)據(jù)輸入端、4A數(shù)據(jù)輸入端、1B數(shù)據(jù)輸入端、2B數(shù)據(jù)輸入端、3B數(shù)據(jù)輸入端、4B數(shù)據(jù)輸入端、VDD電源正、VSS地、1Y數(shù)據(jù)輸出端、2Y數(shù)據(jù)輸出端、3Y數(shù)據(jù)輸出端、4Y數(shù)據(jù)輸出端④延時模塊當(dāng)聲音消失后需要燈泡延時亮一定時間，在本電路中采用RC延時電路延時時間為T=RC數(shù)據(jù)分析：UR7=R7/(R7+R8)*220V=195.8VUR8=R8/(R7+R8)*220V=24.2VUC3=UR7=24.2V所以由電源濾波電路原理可得:電橋兩邊電壓U2=UC3/0.9=26.9VU燈=220-U2=193.1V控制電路晶體管靜態(tài)分析:UCEQ.V`CC通過測量的出:IBQ=(V`CC-UBEQ)/R2ICQ=ΒIBQUCEQ=V`CC-ICQR3得R3=(V`CC-UCEQ)/ICQ無光時,要使2處于高電平那么:URL≥UOHURL=RL/(RL+R4)*V`CC≥UON∴R4≤(V`CC-UOH)/UOH*RL聲音來時,得滿足使1為高電平,即需要使晶體管處于截止區(qū).∴UBE≤UOH設(shè)麥克CM-18W的阻值為RCM,由儀器測得:RCM/(R+RCM)*V`CC≤UON得:R≥(V`CC-UON)/UON*RCM.其中R=R1//R2=R1*R2/(R1+R2)即:R1*R2/(R1+R2)≥(V`CC-UON)*RCM/UON---------①無聲音時.得滿足1為低電平,即晶體管導(dǎo)通.測RBE由網(wǎng)孔電流法得:UBE＞UONUBE={RBE*[1-RBE/(RCM+RBE)]*V`CC}/[(R2+RBE-R22)/(R1+R2)-RBE2/(RCM+RBE)]-----------②由①②得:R1R2的取值范圍.T=RC可計算時間此實驗為15.51s測量的晶體管放大倍數(shù)A=318五、設(shè)計原理及電路圖PCB板的制作過程編輯原理圖及其一些相關(guān)工作1〕翻開Protel99SE，新建一個ddb文件，并起名為聲光燈控制電路.ddb。在Documents內(nèi)在選擇SchematicDocument并翻開生成一個Sheet1.Sch〔原理圖編輯器〕。按照設(shè)計好的設(shè)計圖繪制好的PCB原理圖如下列圖所示：并將其保存。2〕制作庫文件新建一個Schlib1.Lib〔原理圖庫文件〕，具體如下列圖所示：光敏電阻CD40113〕制作PCB庫文件新建一個PCBLIB1.LIB〔PCB庫文件〕，具體如下列圖所示：BRIDGELAMP2.電氣法那么測試在原理圖編輯器中，執(zhí)行菜單命令Tools/ERC，按OK鍵生成測試結(jié)果，如下列圖所示：報告中顯示沒有錯誤，說明我們并沒違反電氣法那么。創(chuàng)立元器件報表清單在原理圖編輯器中，執(zhí)行菜單命令Reports/BillofMaterial，選擇sheet，并Next,Next,Next，將三個全選中，再次Next，F(xiàn)inish后，生成三個報表如下所示：Sheet1.BomSheet1.CSVSheet1.XLS并將它們保存。4.創(chuàng)作網(wǎng)絡(luò)表文件在原理圖編輯器中，執(zhí)行菜單命令Design/CreateNetlist，按OK鍵生成網(wǎng)絡(luò)表文件。5.載入網(wǎng)絡(luò)表和元器件封裝新建一個PCB1.PCB〔PCB設(shè)計文件〕文件，在PCB編輯器中，執(zhí)行菜單命令Design/LodeNets，導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，如下列圖所示：確認(rèn)無誤。6.制作PCB板按下Execute后，經(jīng)過規(guī)劃PCB,放置螺絲孔和電源接線銅柱,從原理圖加載網(wǎng)絡(luò)表和元件到PCB,通過Room空間移動元件,手工布局調(diào)整(通過旋轉(zhuǎn)元件進行，注意減少飛線的交叉),覆銅等一系列處理后，等到如下列圖所示：并將其保存。六、元器件清單表1-1元件清單元件序號型號主要參數(shù)數(shù)量備注MIC駐極體電容話筒CW-18W1R1電阻18K1R2電阻3.3M1R3電阻510K1R4電阻220K1R5電阻3.3M1R6電阻30K1R7電阻18K1R8電阻150K1RL光敏電阻MG44-031C1獨石電容0.47uF/25V1C2電解電容22uF/25V1C3電解電容47uF/25V1CD4011四輸入與非門1D1~D4二極管IN40071VD1二極管IN41481T單向可控硅MCR1002備用一個D1燈泡40W1燈座220V普通燈座1插頭兩項1S9014三極管1七、硬件制作與調(diào)試硬件選擇:MIC

用駐極體話筒，

RG

用一般光敏電阻即可，YFA-YFD

用一片低工耗COMS四與非門電路

TC4011，T1用9014低頻管，放大倍數(shù)越大靈敏度越高，D1用IN4148，D2是7.5v的穩(wěn)壓管，C2、C3用電解電容、SCR可選用

MCR100-6

1A的單向可控硅，電阻均為

1/8w

炭膜電阻，阻值按圖。D4-D7用IN4007，反向漏電必須小。電燈的功率不能超過60W。各種芯片的介紹MIC駐極體話筒獨石電容獨石電容器是多層陶瓷電容器的別稱，根據(jù)所使用的材料，可分為三類A、溫度補償類NPO電介質(zhì)這種電容器電氣性能最穩(wěn)定，根本上不隨溫度、電壓、時間的改變，屬超穩(wěn)定型、低損耗電容材料類型，適用在對穩(wěn)定性、可靠性要求較高的高頻、特高頻、甚高頻電路中。B、高介電常數(shù)類X7R電介質(zhì)。由于X7R是一種強電介質(zhì)，因而能制造出容量比NPO介質(zhì)更大的電容器。這種電容器性能較穩(wěn)定，隨溫度、電壓時間的改變，其特有的性能變化并不顯著，屬穩(wěn)定電容材料類型，使用在隔直、耦合、傍路、濾波電路及可靠性要求較高的中高頻電路中。C、半導(dǎo)體類Y5V電介質(zhì)。這種電容器具有較高的介電常數(shù)，常用于生產(chǎn)比容較大、標(biāo)稱容量較高的大容量電容器產(chǎn)品。但其容量穩(wěn)定性較X7R差，容量、損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感，主要用在電子整機中的振蕩、耦合、濾涉及傍路電路中。在本次設(shè)計中我們只需要進行對耦合的獨石電容并且電路的頻率并不高，因此只需選擇第三種就可以。電解電容電解電容是電容的一種，介質(zhì)有電解液，涂層有極性，分正負(fù)，不可接錯。電容(Electriccapacity)，由兩個金屬極，中間夾有絕緣材料〔介質(zhì)〕構(gòu)成。原理：電解電容器通常是由金屬箔〔鋁/鉭〕作為正電極，金屬箔的絕緣氧化層〔氧化鋁/鉭五氧化物〕作為電介質(zhì)，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。鋁電解電容器的負(fù)電極由浸過電解質(zhì)液〔液態(tài)電解質(zhì)〕的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成；鉭電解電容器的負(fù)電極通常采用二氧化錳，均以電解質(zhì)作為負(fù)電極。并且分為有極性電解電容和無極性電解電容，有極性電解電容器通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波、退耦、信號耦合及時間常數(shù)設(shè)定、隔直流等作用，無極性電解電容器通常用于音箱分頻器電路、電視機S校正電路及單相電動機的起動電路。因此在本電路主要應(yīng)用于時間常數(shù)的設(shè)定，因此選用有極性電解電容。9014三極管：NPN

集電極-發(fā)射極電壓45V

集電極-基電壓50V

射極-基極電壓5V

集電極電流0.1A

耗散功率0.4W

結(jié)溫150℃

特怔頻率最小150MHZ

放大倍數(shù)：A60-150B100-300C200-600D400-1000

CD4011四輸入